André Kuipers: de risico's van de terugtocht

Geen Europeaan was ooit langer in de ruimte dan ESA-astronaut André Kuipers. Na een recordvlucht van 190 dagen is hij weer thuis. De terugkeer was ongetwijfeld het spannendste deel van zijn hele missie. Die terugtocht ging al vaker fout.

Dat astronauten tegenwoordig standaard een maand of zes in een baan om onze planeet werken is geen toeval. De ervaring leert dat de efficiëntie van ruimtebewoners afneemt als ze langer dan drie maanden boven zijn. Maar de economie vereist dat er niet vaker wordt gelanceerd dan noodzakelijk: lanceringen zijn duur. En opleidingen van ruimtevaarders zijn duur. Een stoel in een Sojoez kost minstens 50 miljoen euro. Vluchten mogen dus niet te kort zijn. Maar ook niet te lang: de houdbaarheid van een Sojoez-ruimteschip, waarmee de kosmonauten komen en gaan, is vastgesteld op zo’n 180 dagen.

Vergeleken met de lancering en de vlucht zelf is de terugkeer veruit het gevaarlijkst: dat leert de statistiek van de ruimtevaart. Sinds in 1961 de eerste kosmonaut vertrok, zijn tijdens de terugkeer naar de aarde elf ruimtevaarders overleden, tegen zeven bij het vertrek.

Onmogelijke opgave?
Een ruimteschip dat in een baan om de aarde gelanceerd wordt, moet een ongelooflijke hoeveelheid kinetische energie opbouwen. Die wordt geleverd door de draagraket. Voor een vlucht in een baan om de aarde moet een vaart van 8 kilometer per seconde worden bereikt, voor een missie naar maan of planeten ongeveer 11 kilometer per seconde. Bij de terugkeer geldt dat die enorme kinetische energie weer moet worden afgebouwd tot nul.

Zowel lancering als terugkeer leken een eeuw geleden nog een onmogelijke opgave. n 1920 beweerde de Nieuw-Zeelandse professor Alexander William Bickerton (1842-1929) dat het onmogelijk zou zijn iets in een baan om de aarde te brengen, laat staan naar de maan. Hij bewees – terecht - dat zelfs de modernste explosieven daarvoor ontoereikend waren: ze zouden maar één tiende van de benodigde energie kunnen leveren.  De moderne chemische meertrapsraket loste dit probleem op. Alleen: je moest ook nog terug! En bij de terugkeer moet al die kinetische energie weer worden weggewerkt. Daarvoor heb je opnieuw een complete raket nodig, die je bij de lancering natuurlijk al had moeten meenemen.

In januari 1941 rekende dr. J.W. Campbell, astronoom aan de universiteit van West-Ontario (Canada), het ons voor: het startgewicht van een bemande maanraket zou een miljoen maal een miljoen ton moeten zijn. Met andere woorden: mensen naar de maan brengen én terug was onmogelijk. Dit zogenaamde re-entry problem doemde in de jaren vijftig nog torenhoog op. In die tijd was er in Nederland een actieve amateurastronoom, die professor voor zijn naam had staan: de jurist George van den Bergh. De remraket die nodig zou zijn om mensen veilig weer naar de aarde terug te brengen, zou vele malen het gewicht van de nuttige last van de raket wegen, zo meende hij.



Theoretisch waren de redeneringen van mensen als Campbell en Van den Berg correct. Alleen hadden ze er geen rekening mee gehouden dat het ruimteschip bij de terugkeer naar de aarde kan worden afgeremd door de atmosfeer, zoals een duiker wordt afgeremd door water. Daar is dus geen brandstof voor nodig. Uiteindelijk bleek in 1969 het startgewicht van de Saturnus-5 maanraket 3.000 ton, 300 miljoen keer minder dan Campbell indertijd had berekend. Afremmen op de atmosfeer vereiste wel de ontwikkeling van stevige hitteschilden. De vertraging tegen de lucht levert immers een enorme hitte op, die moet worden opgevangen. Aanvankelijk waren het schilden van een glasachtig materiaal van hoge dichtheid, dat geleidelijk aan wegsmolt (Wostok, Apollo, Sojoez). Later kwamen er hitteschilden uit zeer poreus glasachtig materiaal dat zijn hitte snel afstaat aan de omringende lucht. Dit materiaal leidde tot hitteschilden (zoals bij de spaceshuttle) die vele malen opnieuw kunnen worden gebruikt.

Bemande ruimtevaart blijkt betrekkelijk veilig, maar de start is minder risicovol dan de terugkeer. Een keer kwamen astronauten om tijdens de lancering (Challenger, 1986), maar drie keer tijdens de terugkeer naar de aarde.

Parachute weigert dienst

Kosmonaut Vladimir Komarov (1967).

Het eerste slachtoffer van de ruimte was de Rus Vladimir Komarov in 1967. Komarov was uitverkoren om de eerste bemande testvlucht te maken met de nieuwe Sojoez. Zijn plaatsvervanger was Joeri Gagarin. De Sovjet-Unie was verwikkeld in de maanrace met de VS, hoewel dat niet openlijk werd toegegeven. De Sojoez was bedoeld als moederschip voor maanvluchten, in combinatie met een kleine eenpersoonsmaanlander. Het Sojoez-project had al heel wat vertraging opgelopen. De tijd drong. Zowel Komarov als Gagarin wist dat er nog heel wat problemen waren met het nieuwe ruimteschip. Komarov schreef zelfs een brandbrief aan de Opperste Sovjet om de eerste bemande testvlucht uit te stellen en eerst nog enkele onbemande vluchten uit te voeren. Maar hij kreeg geen gehoor. Wat kon hij doen? Als hij de missie zou weigeren, zou Gagarin zijn plaats moeten innemen. En hij wilde ‘s werelds eerste ruimtevaarder niet blootstellen aan het risico.

De kosmonauten hadden reden om ongerust te zijn. Onbemande testvluchten van de Sojoez waren tot nu toe niet vlekkeloos verlopen. En de laatste onbemande Sojoez was enkele maanden eerder op aarde geland met een hitteschild dat gedeeltelijk was doorgebrand. 

Begin 1967 was de race naar de maan in volle gang. Op 27 januari kwamen drie Amerikaanse astronauten om tijdens een generale repetitie in hun Apollo op de grond. De Russen die duidelijk achterliepen, zagen een nieuwe kans. Het zou een hele tijd duren voor de Apollo weer vluchtwaardig kon worden verklaard. En dus besloot hoofdconstructeur Wassili Mishin de eerste bemande Sojoez zo snel mogelijk te lanceren, waar zijn voorganger Koroljov altijd éérst twee geslaagde onbemande testvluchten geëist had.  

Op 24 april 1967 gaat een zichtbaar somber gestemde Vladimir Komorov met de Sojoez-1 omhoog. Al direct na het bereiken van een baan om de aarde beginnen de moeilijkheden. Een van de twee vleugels met zonnecellen ontvouwt zich niet, waardoor een ernstig energietekort ontstaat. Het toestel blijkt moeilijk bestuurbaar. Komarov krijgt opdracht naar de aarde terug te keren. Dat moet gebeuren in de zeventiende omloop als het vliegtraject weer over de lanceerbasis Baikonoer loopt. De oriëntatie voor het afvuren van de remraketten lukt niet op tijd. Uiteindelijk komt Komarov tijdens de achttiende omloop naar beneden. Het lijkt dat de belangrijkste problemen nu achter de rug zijn. Op zeven kilometer hoogte moet het ronde luik bij de top van de kegelvormige cabine wegvliegen en de parachute naar buiten schieten. Maar dat gebeurt niet. Komarov is zich volledig bewust van de rampzalige situatie. Een schietstoel heeft hij niet. De cabine verlaten is uitgesloten. Hij draagt zelfs geen drukpak. ‘Parasjoeta, pa..’: dat zijn de laatste geluiden die het vluchtleidingscentrum van hem opvangt. Met een snelheid van 450 kilometer per uur klapt de cabine neer in de heuvels bij de stad Orenburg in de Oeral. De kegel barst open en vliegt in brand. Voor het eerst is een ruimtevaarder in het harnas gestorven. Komarovs collega’s ontvangen de verkoolde en verschrompelde resten van de kosmonaut waarin nog vaag een zittende figuur te herkennen is.

Wat was er gebeurd? Na de mislukte vlucht van de onbemande Sojoez was het hitteschild dikker gemaakt. Dat vereiste een grotere parachute. Maar de parachutecontainer werd niet vergroot. Bijgevolg moest het parachuteluik met hamers worden dichtgeslagen. En toen het er op aan kwam, kwam de parachute niet naar buiten.

Lucht ontsnapt uit cabine
De Sojoez werd verbeterd. Vier jaar lang ging alles goed. Maar op 30 juni 1971 ging het weer mis. Na de recordvlucht van Sojoez-11 en Saljoet-1, waarbij mensen voor het eerst 28 dagen aan een stuk in een baan om de aarde woonden, sloeg het noodlot opnieuw toe. Ditmaal was de cabine zacht geland. Maar de drie kosmonauten lagen roerloos in de naar hun lichamen gevormde stoelen. Het lampje boven het instrumentenpaneel bescheen hun witte gezichten waarop bloeduitstortingen waren te zien. Het was een luguber tafereel waarmee de artsen en militairen van de bergingsgroep in de vroege ochtend van 1971 op de Kazachstaanse steppe werden geconfronteerd.

Vertwijfeld trokken ze de mannen door de nauwe opening van de capsule en legden ze naast elkaar in het gras. Tegen beter weten in begonnen ze met beademing en hartmassage. Maar het was  te laat. Georgi Dobrovolski (43), Vladislav Volkov (35) en Viktor Patsajev (38) hadden hun recordvlucht aan boord van ’s werelds eerste ruimtestation Saljoet met de dood moeten bekopen.

Op 6 juni waren ze aan hun reis begonnen, gekleed in lichte trainingspakken en met slechts een eenvoudig communicatiekapje op het hoofd. De hoofdconstructeur was ervan uitgegaan dat ruimtepakken niet nodig waren en dat de cabine onder alle omstandigheden bescherming zou bieden tegen het verraderlijke vacuüm van de ruimte.

Het verblijf van 24 dagen aan boord van de Saljoet-1 verliep zonder problemen. Op die fatale laatste junidag ontkoppelden de drie kosmonauten om terug te keren naar de aarde. Na het afvuren van de remraketten deelde hun Sojoez zich zoals gebruikelijk op in drie stukken: de eivormige leefruimte, de bemande cabine en de motorsectie. In de leefmodule en de cabine heerst tot aan de opdeling een normale luchtdruk. Als het luik tussen beide modules gesloten is, zorgt een ventiel ervoor dat de druk aan weerskanten van het verbindingsluik gelijk blijft. Op het moment dat de leefruimte wordt afgestoten moet dat ventiel dicht gaan, zodat de druk in de cabine behouden blijft. Maar in dit geval gebeurde dat niet: de klep  bleef open staan. In twintig seconden ontsnapte de lucht uit de cabine naar het vacuüm van de ruimte. De drie mannen waren binnen 17 seconden dood.
Hoofdconstructeur Mishin vertelde me later: ‘Als iemand van de drie een vinger op de opening had gedrukt, waren de kosmonauten er levend vanaf gekomen. Maar tijdens hun training hadden ze daar nooit iets over gehoord.’ Met andere woorden: niet de constructeurs waren primair verantwoordelijk, maar het opleidingscentrum in Sterrendorp.

Schade door schuim
De tot nu toe laatste ramp tijdens de terugkeer naar de aarde vond plaats op 1 februari 2003 - met de spaceshuttle Columbia. De oorzaak van het ongeluk lag echter in de start en was een keihard bewijs voor het feit dat het materiaal dat de shuttle beschermt tijdens de terugkeer als hitteschild effectief is, maar als constructie-element kwetsbaar. 

Toen de Columbia op 16 januari 2003 vertrok, kwam er een stuk isolatieschuim ter grootte van een diplomatenkoffertje los van de bruine externe tank van de shuttle en trof de rand van de linkervleugel. Niemand had gedacht dat een stuk schuim enige schade van betekenis zou kunnen veroorzaken. Natuurlijk is het materiaal uiterst licht - het lijkt op piepschuim waarin witgoed wordt verpakt - maar op het moment van de botsing met de vleugelrand had het een snelheid van 850 kilometer per uur. En zoals we weten is de massa van belang bij een botsing, maar speelt de snelheid een nog veel grotere rol: een vier keer zo grote snelheid betekent zestien keer zoveel bewegingsenergie.

Columbia vloog dit keer een solomissie en ging dus niet naar het ruimtestation, waar de schade aan de vleugel had kunnen worden opgemerkt. Zestien dagen later, tijdens de terugkeer in de dampkring, bezweek de linkervleugel en viel de shuttle in enkele minuten uiteen.

De smeulende brokstukken regenden neer op Arkansas, Louisiana en Texas. Zeven astronauten, twee vrouwen en vijf mannen, kwamen om: Rick Husband, Kalpana Chawla, William McCool, Michael Anderson, Laurel Clark, David Brown en Ilan Roman (de eerste astronaut uit Israël).
 

Als je door de dampkring ploegt, huilt de lucht om je capsule. Je hoort, voelt en weet: dit gaat véél te hard!

Net als bij zijn vorige terugkeer uit de ruimte (in 2004) zal André wellicht aan hen denken: ‘Langzaam dreven we weg van het ISS. Daarna deden de remraketten hun werk. De capsule scheidde zich af van de leefmodule. Ruggelings vielen we de aarde tegemoet. Al gauw zit je in een vuurbal op een achtbaan. Je wordt vier keer zo zwaar als normaal. Toen moest ik denken aan de astronauten van de Columbia die een jaar eerder op dit moment waren verongelukt. Als je eenmaal door de dichtere dampkring ploegt dan fluit en huilt de lucht om je capsule.  Je hoort, je voelt en je weet: dit gaat véél te hard! Toen moest ik denken aan de onfortuinlijke Komarov in de eerste Sojoez. Maar dan: de capsule danst en slingert. Je ziet wel twintig beeldschermen voor je neus. Je wordt misselijk. Maar je bent ook gelukkig: de parachute werkt! Tenslotte een doffe bonk.

Contact! Contact met Moeder Aarde! En meteen daarna dacht ik: Ik heb het niet verprutst. Het is gelukt!’


Dit is een artikel uit het juli-augustusnummer van Eos-magazine